量子材料電子相干性的產生對於多體相互作用及關聯調控有重要的意義。然而，這並非易事，許多先進精密的電學實驗方法是非相干的，不能誘導和測量集體激發態。相干光與物質相互作用可以自然地將光場所固有的相干性傳遞給量子材料，可用於調控電子的相干性。這種相干性的傳遞是否能實現，取決於光與物質相互作用的形式，以及物質的電子結構。
最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）表面物理實驗室副研究員趙繼民與研究員孟勝合作通過空間自相位調製，在具有帶隙的2D層狀量子材料MoS2中誘導實現了交流的電子相干性。不加光場時，離散的MoS2片層懸浮於液體中，電子完全獨立，相互之間無相位相干。用超快雷射脈衝照射後，通過光與物質的空間自相位調製散射（圖1A），非局域的電子波函數相位變得與超快雷射脈衝一致，它們的相位被完全鎖定。這種相干性是一種光誘導的電子集體行為。作者提出一個「風鈴模型」來解釋這種演生現象。他們通過對空間自相位調製衍射環形成所需的時間的測量，進一步證實了這種非局域電子相干性的存在（圖1B & 1C）。
他們研究了不同波長激發的，依賴於帶隙的空間自相位調製（圖2 & 3A），發現這種電子相干性的產生適用於普遍的二維層狀量子材料，具有普適特性。他們的實驗首次觀察到低於帶隙的空間自相位調製，證實了包括雙光子空間自相位調製在內的物理機制（圖3B & 3C）。
他們通過實驗證明，這種非局域交流電子相干性可以用來實現雙色全光開關，且具有一些優異性能（圖4）。特別是，控制光束能夠調控信號光束的相位，用很小的強度改變可引起強光信號光束的衍射環在空間發生變化，實現了弱光控制強光的開關效應。這是人們首次實現基於空間自相位調製的全光開關效應，這些工作為二維層狀量子材料在光子學中的應用提供了基礎。
此項工作得到了科技部重大基礎研究(「973」)計劃、國家自然科學基金和中國科學院對外合作重點項目的支持。該工作發表於近期的Proc. Natl. Acad. Sci. USA 112, (38) 11800-11805 (2015)。
圖1. 風鈴模型和非局域ac電子相干性的光誘導演生
圖2. 通過變波長空間自相位調製實驗直接測量χ(3)及其對帶隙的依賴關係
圖3. χ(3)、吸收和閾值隨帶隙的變化，以及空間自相位調製的物理機制
圖4. 基於空間自相位調製的雙色全光開關